Тақырыбы: Электр тоғының магнит өрісі тақырыбын, электромагниттік индукция құбылысын оқыту әдістемесі.

Бұл тақырыпқа дейін оқушыларды потенциялдық электростатикалық және стационарлық өрістер, құйынды магнитік өріс жөнінде мағлұматтар алған. Енді оларды құйынды электрлік өріспен, сонымен бірге электрлік және магниттік құйынды өрістің уақыт бойынша өзгеруімен, олардың өзара байланысымен таныстыру қажеттігі айтылды. Мұның барлығын М.Фарадей ашқан электромагниттік индукция құбылысын игерген кезде оқып үйренуге болады. Ол электромагниттік индукция заңын жазды. Барлық жағдайда индукцияның электр қозғаушы күші контурмен шектелген жазықтық арқылы өтетін магнит ағынының өзгеру жылдамдығының теріс шамасына тең болады. Бұл заң дифференциал түрде жазылады. Бірақ мектеп бағдарламасында дифференциалдардың орнына соңғы өсуін не болмаса өзгеруін алады.

Электромагниттік индукцияның Э.Қ.К. магнит ағынының өзгеру жылдамдығымен төмендегідей байланыста болады:

«минус» таңбасы Ленц ережесімен немесе энергияның сақталу заңымен түсіндіріледі.

Электромагниттік индукция құбылысын әр түрлі әдістермен демонстрация жасап көрсету қажет.

· қозғалмайтын магниттің өрісіндегі өткізгіштің қозғалысы;

· өткізгішке байланысты магниттің қозғалысы;

· электромагниттік катушканы токқа қосқанда және өшіргенде;

· индукциялық катушкадағы ток шамасын өсіргенде және кеміткенде.

Осылайша контур арқылы өтетін магнит ағынының барлық мүмін болатын өзгерістері, өткізгіш пен магниттің салыстырмалы қозғалыс жағдайлары қарастырылады.

Біздің басты мақсатымыз оқушыларға - электромагниттік индукция құбылысының физикалық мәнін және оның пайда болу себептерін түсіндіру.

Қарапайым жағдайды қарастырайық: магнит өрісі біртекті және оның магнит индукциясының векторы контур ауданы S жататын жазықтыққа перпендикуляр; магнит ағыны Ф бұл жағдайда шамасына тең, ал электр қозғаушы күші . Бірақ магнит ағыны өзгергенде магнит индукциясы В мен контур ауданы S бір уақытта өзгеруі мүмкін, сондықтан былайша жазуға болады:

Бұл өрнектің бірінші мүшесі индукция Э.Қ.К-ң уақытқа байланысты контур ауданының өзгеруін сипаттайды, ал екінші мүшесі магнит өрісінң уақытқа байланысты өзгеруін көрсетеді. Атап айтқанда, осы индукция Э.Қ.К-ң екі жағдайда пайда болуы оқушыларға түсіндірілуі қажет.

Басында бірінші жағдайды қарастырамыз. Егер контур ауданы S өзгерсе, онда контурды құрайтын өткізгіште қозғалыста болады. Онда бұл өткізгіштегі зарядтарға Лоренц күші әсер етеді, ол зарядтардың орнын ауыстыруына мүмкіндік береді. Электромагниттік индукцияның бұл жағдайда туындауын оқушылар қозғалыстағы зарядқа магнит өрісінің әсер етуінен екенін біледі.

Енді екінші жағдайды қарастырамыз: бұл жағдайда магнит өрісі өзгереді, өткізгіштер мен зарядтар қозғалмайды. Қозғалмайтын зарядтарға тек электр өрісі әсер ететіні белгілі. Егер тыныштық күйдегі өткізгіште электр тогы пайда болса, онда өткізгіштегі бос электрондарға электр өрісі әсер еткені. Қозғалмайтын өткізгіш жүйесінде ол қалай пайда болады деген сұрақ туындайды.

Сондықтан, өзгерістегі магнит өрісі электр өрісін туғызады деп жорамалдауға болады. Бұл орта индукциялық немесе құйынды электр өрісі деп аталады.

Құйынды электр өрісінің бар екендігін Максвелл көрсеткен болатын. Ғалым электромагниттік индукция құбылысын егжей-тегжейлі талдап, индукция Э.Қ.К. себебі құйынды электр өрісінің пайда болуына байланысты деп тұжырымдады.

Индукциялық электр өрісінің өз ерекшеліктері бар (қозғалмайтын заряд өрісінен, тұрақты ток өрісінен айырмашылығы бар), себебі ол зарядтардың таралуымен болмайды, магнит өрісінің өзгеруімен анықталады.

Индукциялық электр өрісінің зарядтарға әсері кернеулік векторы Е арқылы сипатталады. Индукциялық өрістің энергетикалық сипаттамасы –индукцияның Э.Қ.К. - болып табылады.

Оқушылардың назарын индукция Э.Қ.К-ң ерекшеліктеріне аудару қажет. Ең алдымен индукция Э.Қ.К-ң тізбектің барлық бойымен тарайтынын айту қажет, яғни магнит индукциясы өзгеретін тізбектің барлық нүктелерінде, ал химиялық элементтің Э.Қ.К., термопараның Э.Қ.К., тізбектің белгілі бір бөлігінде туындайды. Тәжірибелер көрсеткендей, индукция Э.Қ.К-ң ерекшелігі, оның өткізгіш затының тегіне және температурасына тәуелсіздігі. Индукция Э.Қ.К. магнит өрісінің өзімен анықталады. Электромагниттік индукция құбылысында өткізгіштер қосалқы роль атқарады.

Магнит ағыны өзгергенде барлық уақытта құйынды электр өрісі пайда болады, оның энергетикалық сипаттамасы индукция Э.Қ.К. болады. Индукциялық ток өткізетін контур болғанда пайда болады. Егер контур өткізбейтін болса, онда тек индукция Э.Қ.К. туралы айтуға болады.

Оқушылармен төмендегі сұрақты талдау тиімді болады: «Екі сақинадағы (ағаш және мыс) индукциялық электр өрісі және индукциялық ток туралы не айтуға болады?» Зарядталған бөлшектерді үдеткіштер (бетатрон) өткізгішсіз нақты құйынды электр өрісінің бар екендігін көрсететінін атап өтуіміз керек.

Индукциялық электр өрісінің электростатикалық өрістен өзгешелігі потенциал емес, ол құйынды өріс болады: құйынды электр өрісінің кернеулік сызықтары тұйық болады (магнит ағынының өзгерісін ораған шеңбер түрінде), ол тогы бар түзу сызықты өткізгіштің магнит өрісінің индукция сызықтарына ұқсас.

Электромагниттік индукция заңынан электромагниттік индукция Э.Қ.К. таңбасын анықтауға болады. Расында:

Егер магнит ағыны кемісе (), онда электромагнит индукциясының Э.Қ.К. оң болады (). Егер де магнит ағыны өссе (), онда индукция Э.Қ.К. теріс болады ().

Индукциялық электр өрісінің кернеулік сызықтары тұйық болса, бұл өрістің көзі электр зарядтары болмайды, оны айнымалы магнит өрісі туғызады. Индукциялық электр өрісінің құйынды сипаттамасын тұтас өткізгіштердегі құйынды токтардың пайда болуы да тәжірибелі түрде дәлелдейді.

Әдістемелік әдебиеттерде осындай тәжірибелердің көптеген түрлері көрсетілген:

а)тұйық өткізгіштерде индукциялық токтың пайда болуы; гальвонометрдің тілінің ауытқуы, лампаның жануы және т.б.- осының барлығы индукциялық электр өрісінің тұйық тізбектегі электрондардың бағытталған қозғалысын қамтамасыз ететінін көрсетеді;

б)айнымалы магнит өрісіндегі тұйық өткізгіштердің қызуы (индуктивтік катушкаға бекітілген темірөзекшеге кигізілген алюминий сақинасының қызуы);

в) құйынды токтардың маятниктерінің тежелуі;

г) айнымалы магнит өрісінде орналасқан дискадағы балауыздың (воска) балқуы;

д) әлсіз жоғары жиілікті өрісте орналастырылған шардағы газдың сақина тәріздес бөлігінің жарқырауы және т.б.

Индукция электр өрісінің сипаттамасы ретінде потенциал түсінігін, және де потенциалдық энергия ұғымын қолдануға болмайды, себебі индукциялық электр өрісі құйынды өріс.

Индукциялық электр өрісі үшін кернеуліктің ара қашықтыққа байланыстылығы электростатикалық өрістен өзгеше болады.

Радиусы r сымның орамын қарастырайық. Кернеуліктің модулі E үшін нүктелік зарядтың кулондық өрісінде байланыстылығы:

Оқушыларға күрделілігіне байланысты, қорытусыз индукциялық электр өрісінің кернеулік модулін айтуға болады:

Индукциялық электр өрісі қасиеті және сипаты жағынан электростатикалық өрістен өзгешелігі бар, бірақ олар ұқсас болып келеді- индукциялық электр өрісі зарядқа дәл электростатикалық өріс сияқты әсер етеді, бұл барлық электр өрістері үшін негізгі қасиет болып табылады.

Бұл жерде оқушылардың электромагниттік өрістің әртүрлі көріністері, сонымен бірге айнымалы құйынды магнит өрісінің құйынды электр өрісін тудыратындығы жөніндегі білімдерін қорытындылау маңызды. Өз кезегінде құйынды электр өрісі құйынды магнит өрісін туғызады. Бұл екі қорытынды бірге алғанда электромагниттік өрістің кеңістікте таралуын дәлелдеу үшін қажет.

Дәл осы жерде оқушыларды тек құйынды өрістермен ғана таныстырып қоймай, сонымен бірге айнымалы электр және магнит өрістерінің байланысын көрсететін еркін электромагниттік өрістің барлығын түсіндіру тиімді.

Электромагниттік өзара әсердің тарқалуын былай түсіндіруге болады: магнит өрісінің индукциясы өзгергенде индукцияланған кернеуліктің магнит өрісі туындайды. электр өрісі кернеулігінің өзгеруі нәтижесінде магнит индукциясы магнит өрісі пайда болады. Мейлі, кеңістіктің бір нүктесінде өзгеретін электр өрісі болсын, онда оны магнит индукциясының сызықтары орайды. Бұл өріс те айнымалы, ол әрі қарай айнымалы кернеулік векторы бар өріс туғызады. Тағы да кеңістіктің бір аумағында магнит индукциясының векторлары және , және , және т.б. немесе кернеуліктің векторлары және , және т.б. бір-біріне қарама-қарсы бағытталған, олар бір-бірін сөндіреді, сонымен қатар кеңістіктің жаңа аумақтарын басып алады, яғни өріс ары қарай нүктеге, не зарядқа байланыссыз тарайды. Бұл процестің механизмін белгілі Брэгтің шынжыры моделімен тәжірибе арқылы көрсетуге болады.

 

Лекция 10